基于籠型異步電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)的電壓波動(dòng)的計(jì)算方法

于學(xué)亮

(中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610041)

0 引言

本文即分析了籠型異步電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)時(shí)配電母線上的電壓波動(dòng)，提出了計(jì)算電壓波動(dòng)的具體方法。通過該計(jì)算方法，可為合理選擇電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式提供參考依據(jù)

1 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)電壓波動(dòng)的計(jì)算

1.1 無限大容量電源的特性

無限大容量電源是一種理想化的電源，但是當(dāng)電力系統(tǒng)的容量相比于用戶自身的系統(tǒng)容量要大很多時(shí)，即使用戶的負(fù)荷容量發(fā)生較大的變化，甚至出現(xiàn)短路故障，對(duì)于電力系統(tǒng)內(nèi)的變電站的配電母線來說，其上的電壓幅值亦能基本保持不變。在工程應(yīng)用中，當(dāng)電力系統(tǒng)的電源內(nèi)部阻抗(即系統(tǒng)自身阻抗)占短路回路總阻抗的比值≤10%，或者用戶自身的系統(tǒng)容量占電力系統(tǒng)容量的比值<2%時(shí)，電力系統(tǒng)對(duì)于用戶來說，就可看作為“無限大容量電源”。大城市配電網(wǎng)的短路容量通常可按300MVA考慮，以10kV配電網(wǎng)、容量為1.25MVA的變壓器為例，系統(tǒng)阻抗：

(1)

當(dāng)電阻值允許忽略不計(jì)時(shí)，變壓器阻抗：

(2)

式中，uk%為變壓器阻抗電壓百分值；Ur為額定電壓，kV；SrT為變壓器的額定容量，MVA。

當(dāng)線路阻抗忽略不計(jì)時(shí)，系統(tǒng)阻抗占短路回路總阻抗的百分比：

(3)

可見電力系統(tǒng)可以看作是無限大容量電源。

研發(fā)是企業(yè)一項(xiàng)特殊的活動(dòng)。這主要體現(xiàn)在研發(fā)活動(dòng)具備高投入、高消耗的特性。研發(fā)各階段所需的廠房、設(shè)備、技術(shù)、人才、培訓(xùn)等都離不開現(xiàn)金的支持和維系，這就需要在一段時(shí)期內(nèi)確保穩(wěn)定的資源輸入。一旦資源中斷，會(huì)嚴(yán)重干擾研發(fā)進(jìn)程。同時(shí)，研發(fā)活動(dòng)還具備風(fēng)險(xiǎn)高、收益滯后的特性，這就使得外部投資者在面臨有限信息的情況下難以準(zhǔn)確判斷該投資活動(dòng)的收益和風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致企業(yè)需要耗費(fèi)較多的成本去搜尋、談判以及匹配外部現(xiàn)金資源。這既降低了研發(fā)投入的時(shí)效性，也帶來了較高的外部融資成本和難度。

1.2 由無限大容量電源供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)的電壓波動(dòng)計(jì)算

一般系統(tǒng)如圖1所示，供電系統(tǒng)通過(a)、(b)、(c)三幅圖逐步轉(zhuǎn)換為等值阻抗圖，所有阻抗均以標(biāo)幺值表示。

圖1 供電系統(tǒng)及等值阻抗圖((a) —供電系統(tǒng)圖；(b)、(c) —等值阻抗圖)

得：

(4)

cosφq和sinφq按電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)容量和其他負(fù)荷的有功、無功負(fù)荷的總分量確定，即：

(5)

(6)

式中：

1.3 工程實(shí)例

所有參數(shù)如圖2所示。電力系統(tǒng)短路容量為300MVA；10/0.4kV變壓器的額定容量為1.25MVA；阻抗電壓百分值為6%；配電母線至電動(dòng)機(jī)配電箱的電纜線路的電抗為0.003Ω；電動(dòng)機(jī)的額定功率為0.11MW，額定功率因數(shù)為0.8，起動(dòng)時(shí)的功率因數(shù)為0.4，電動(dòng)機(jī)的效率為0.72，起動(dòng)電流倍數(shù)為7；兩部分其他負(fù)荷的容量分別為0.96MVA和0.07MVA，負(fù)荷功率因數(shù)分別為0.82和0.8。

圖2 供電系統(tǒng)及等值阻抗圖

根據(jù)上文中論證可知，電力系統(tǒng)可以看作是無限大容量電源。此處為了方便計(jì)算，取變壓器的額定容量為基準(zhǔn)容量。

電動(dòng)機(jī)：

X6=Xqd=Z6·sinφqd=0.844×0.92=0.776

起動(dòng)容量的有功分量：

0.056=1.436MW

起動(dòng)容量的無功分量：

0.042=1.952MVar

X=X1+X2=0.06

故：

=0.365kV

=0.89

故：

根據(jù)GB 50055-2011 《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》中第2.2.2條的規(guī)定，交流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，配電母線上的電壓應(yīng)符合下列規(guī)定：配電母線上接有照明或者其他對(duì)電壓波動(dòng)較為敏感的負(fù)荷，電動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)時(shí)，不宜低于額定電壓的90%；電動(dòng)機(jī)不頻繁起動(dòng)時(shí)，不宜低于額定電壓的85%。

綜上，當(dāng)實(shí)例中的電動(dòng)機(jī)采用全壓起動(dòng)的方式時(shí)，配電母線上的電壓滿足規(guī)范要求。

2 分析與歸納

在工程實(shí)際中，關(guān)于變壓器的負(fù)荷率，設(shè)計(jì)時(shí)通常不會(huì)超過85%。考慮發(fā)生火災(zāi)時(shí)，可以在確認(rèn)火災(zāi)后立即切斷非消防用電，如廚房動(dòng)力設(shè)施、康健娛樂設(shè)施、空調(diào)器用電、排污泵、電動(dòng)扶梯及其他普通動(dòng)力負(fù)荷等。以筆者參與的工程為例，此時(shí)變壓器的負(fù)荷率為28.5%～31.9%，負(fù)荷功率因數(shù)為0.77～0.82。據(jù)此在變壓器負(fù)荷率為30%，負(fù)荷功率因數(shù)為0.8的條件下，對(duì)10/0.4kV變壓器允許全壓起動(dòng)的最大的電動(dòng)機(jī)額定功率進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)特定點(diǎn)進(jìn)行了標(biāo)注，如圖3所示。

注：圖中額定容量在400～630kVA的變壓器，其阻抗電壓百分值取4%；額定容量在800～1 250kVA的變壓器，其阻抗電壓百分值取6%。圖3 電動(dòng)機(jī)額定功率與變壓器額定容量的關(guān)系曲線

3 結(jié)束語